Ученые из Центра геодинамических исследований Университета Эхимэ Японии решили одну из давних загадок планетологии: куда исчез азот из мантии Земли, если его так много в атмосфере. Исследование показало, что около 4,6 миллиарда лет назад, во время формирования планеты, большая часть азота была поглощена ядром из-за уникальных условий раннего магматического океана. Это объясняет, почему мантия содержит так мало азота по сравнению с углеродом и аргоном.
Когда Земля только зарождалась, она представляла собой раскаленный шар с магматическим океаном глубиной более 1000 км. Тяжелые металлы, такие как железо, опускались вниз, образуя ядро, а легкие минералы поднимались, формируя мантию. В этом процессе участвовали и летучие элементы — азот, углерод, аргон, — распределяясь между ядром, мантией и космосом. Ученые смоделировали эти условия с помощью суперкомпьютера, воссоздав давление в 135 ГПа (1,35 миллиона атмосфер) и температуру до 5000 К. Они обнаружили, что азот под таким давлением становится «любителем металлов» и в 100 раз охотнее соединяется с железом ядра, чем остается в мантии. При этом углерод менее склонен к такому переходу, а аргон вообще не взаимодействует с ядром.
Моделирование выявило, что азот в магматическом океане существовал в виде ионов, но под давлением его атомы начинали вести себя нейтрально, «проваливаясь» к железу ядра. Если 5–10% массы Земли составляли метеориты, то более 80% азота ушло в ядро, оставив в мантии лишь минимум. Углерод остался в мантии, создав высокое соотношение углерода к азоту, а аргон, не найдя места ни в ядре, ни в мантии, накопился в атмосфере.